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全固态薄膜锂离子电池的研究

作　者: 顾正建
导　师: 任岳
学　校: 重庆师范大学
专　业: 光学工程
关键词: 薄膜锂离子电池 Li2Mn2O4 V2O5 Li3PO4 充放电性能 循环性能
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着电子器件不断向微型化、轻量化方向发展,迫切要求微小尺寸的化学电源与之相匹配。特别是微电子机械系统(MEMS)技术发展的需要,微电池已经引起人们的重视。因为锂是最轻的金属元素,同时电负性最大,能够提供高比能量；并且,与传统蓄电池相比,全固态薄膜锂离子电池突破了电池形状上的单一性、厚重性,其厚度可以达到微米量级；还可将传统锂离子电池的安全问题彻底解决。因此,全固态薄膜锂离子电池已经成为研究人员的研究热点。利用射频磁控溅射法,采用Li2Mn2O4、V2O5、Li3PO4、V材料,在玻璃衬底上分别制作正极膜、负极膜、固体电解质膜以及集电极膜,并进行了实验研究以期探索制作电池的最佳条件；同时在镀铜有机柔性衬底上制备了全固态薄膜锂离子电池,以增强电池的实用性。实验结果表明,正负极薄膜Li2Mn2O4、V2O5在纯Ar(02=0%)溅射氛围内表现出较高的溅射产额,随着02的混入,溅射产额有较大下降,但在纯Ar(O2=0%)溅射氛围内薄膜表面粗糙度较高。电解质薄膜Li3PO4在纯N2溅射氛围条件下,随着腔内溅射气体压强增大,溅射产额减少,但薄膜表面粗糙度增大；在不同溅射气体(纯N2、纯O2、纯Ar)条件下,Ar溅射产额最高,N2次之,O2最低；N2溅射薄膜表面粗糙度较大,O2、Ar溅射薄膜则较为平坦。集电极薄膜V随着溅射功率的增加,成膜速率增加；薄膜电阻值随厚度的增加而减小。镀铜有机柔性衬底上制作全固态薄膜锂离子电池表现出良好的充放电和循环性能,随着负极薄膜V2O5的成膜腔内气压的增加,电池充放电及循环特性趋于相对稳定,且放电体积比容量增大,但放电时间变短。最后利用非晶无机氧化物型与非晶无机硫化物型固体电解质二者在性能上实现互补的现象,首次构建并综合分析了LiPON/Li2S—SiS2—Li3PO4/LiPON多层膜电解质结构性能,讨论了模型仍存在的物理问题。分析认为,该多层膜结构较大程度克服了各单层膜的缺点,表现出较高的离子电导率,较好的电化学稳定性及电极相容性。

全文目录


中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 引言  8-10
  1.1 研究背景  8
  1.2 研究内容与目的  8-10
2 锂离子电池的发展及全固态薄膜锂(离子)电池前沿进展  10-29
  2.1 锂离子电池的出现及发展过程  10-12
  2.2 锂离子电池的工作原理和特点  12-16
    2.2.1 工作原理  12-14
    2.2.2 主要特点  14-16
  2.3 锂离子电池的组成及主要材料  16-23
    2.3.1 正极材料  16-19
    2.3.2 负极材料  19-21
    2.3.3 电解质材料  21-23
  2.4 全固态薄膜锂(离子)电池前沿进展  23-29
    2.4.1 全固态薄膜锂(离子)电池材料的发展  23-25
    2.4.2 全固态薄膜锂(离子)电池结构  25-28
    2.4.3 展望  28-29
3 实验仪器与测试方法  29-33
  3.1 实验仪器—磁控溅射镀膜系统  29-31
    3.1.1 磁控溅射的原理  29-30
    3.1.2 磁控溅射的特点  30-31
  3.2 测试方法  31-33
    3.2.1 薄膜厚度测试仪—台阶仪  31
    3.2.2 扫描电子显微镜  31
    3.2.3 电池性能测试系统  31-33
4 全固态薄膜锂离子电池各级材料的研究  33-47
  4.1 正极薄膜Li_2Mn_2O_4的制备与性能研究  33-37
    4.1.1 正极薄膜Li_2Mn_2O_4的制备方法  33
    4.1.2 薄膜厚度的测定  33-35
    4.1.3 SEM形貌分析  35-37
  4.2 负极薄膜V_2O_5的制备与性能研究  37-41
    4.2.1 负极薄膜V_2O_5的制备方法  37
    4.2.2 薄膜厚度的测定  37-39
    4.2.3 SEM形貌分析  39-41
  4.3 电解质薄膜Li_3PO_4的制备与性能研究  41-45
    4.3.1 电解质薄膜Li_3PO_4的制备方法  41
    4.3.2 薄膜厚度的测定  41-43
    4.3.3 SEM形貌分析  43-45
  4.4 集电极薄膜V的制备与性能研究  45-47
    4.4.1 集电极薄膜V的制备方法  45
    4.4.2 薄膜厚度及电阻的测定  45-47
5 全固态薄膜锂离子电池的研究  47-54
  5.1 结构设计  47
  5.2 工作原理  47-48
  5.3 全固态薄膜锂离子电池的制备  48-49
  5.4 全固态薄膜锂离子电池的性能研究  49-54
    5.4.1 充放电性能  49-52
    5.4.2 循环性能  52-54
6 全固态薄膜锂离子电池多层膜电解质结构模型的建立  54-59
  6.1 非晶态锂离子无机固体电解质  54-55
    6.1.1 氧化物型非晶态锂离子固体电解质  54
    6.1.2 硫化物型非晶态锂离子固体电解质  54-55
  6.2 多层膜非晶无机固体电解质结构模型建立  55-57
    6.2.1 LiPON薄膜研究现状及性能分析  55-56
    6.2.2 Li_2S—SiS_2—Li_3PO_4薄膜研究现状及性能分析  56-57
  6.3 LiPON/Li_2S—SiS_2—Li_3PO_4/LiPON多层膜结构性能分析  57-58
    6.3.1 离子电导率  57
    6.3.2 相结构稳定性  57-58
    6.3.3 化学稳定性与电化学窗口  58
  6.4 分析结果与展望  58-59
7 结论  59-60
参考文献  60-63
附录  63-64
致谢  64-65

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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